dsPIC30F3010實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無傳感器控制

1 引言 無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、無勵磁損耗、調(diào)速性能好的特性，因此在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。無刷直流電機(jī)是一種特殊的永磁同步電機(jī)，傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)大多數(shù)采用位置傳感器確定轉(zhuǎn)子位置，并據(jù)此控制驅(qū)動電路換相。由于位置傳感器的存在，增加了電機(jī)體積和成本，降低了電機(jī)可靠性，限制了某些場合的應(yīng)用。本文給出一種基于反電動勢過零點(diǎn)檢測法控制無刷直流電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法所需硬件簡單。軟件功能強(qiáng)大。2 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測電路以及電子開關(guān)電路3部分組成。其示意圖如圖1所示。
電子開關(guān)電路主要作用是控制電機(jī)本體定子各相繞組的通電順序和時間，主要由功率管、驅(qū)動電路以及轉(zhuǎn)子位置信號處理模塊構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置檢測電路主要作用是實(shí)時檢測轉(zhuǎn)子位置，為換相提供依據(jù)。電機(jī)本體由定子線圈繞組與永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。3 無刷直流電機(jī)工作原理有刷直流電機(jī)通過電刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的換相，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，且定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)工作過程與此類似，不同之處在于通過電子開關(guān)電路控制定子換相，使定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使得永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由此可見，無刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置非常重要，否則不能準(zhǔn)確控制換相時間，導(dǎo)致電機(jī)不能輸出最大轉(zhuǎn)矩，甚至不能運(yùn)轉(zhuǎn)。4 反電動勢過零點(diǎn)檢測法要實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制，關(guān)鍵問題是如何獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由于永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，定子繞組切割該磁場，感應(yīng)出電動勢，該電動勢就是反電動勢。反電動勢過零點(diǎn)檢測法是一種常用的方法，由無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，反電動勢過零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置有對應(yīng)關(guān)系，通過對定子繞組上反電動勢的檢測得到過零點(diǎn)，就可以得到轉(zhuǎn)子位置信息，由此控制換相。以三相y型連接，兩兩導(dǎo)通為例說明反電動勢與換相的關(guān)系以及反電動勢檢測方法。電機(jī)主回路電路如圖3所示。轉(zhuǎn)子以ω角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時，各相產(chǎn)生的反電動勢波形如圖4所示，ea、eb、ec分別為a、b、c相的反電動勢。當(dāng)某一相的反電動勢出現(xiàn)過零點(diǎn)后，再延遲30°電角度就是換相時刻。因此只要能檢測到反電動勢的過零點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)時的轉(zhuǎn)速，延時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°的時間，控制圖3中q1至q6的通斷，就可實(shí)現(xiàn)換相。實(shí)際中，電機(jī)反電動勢不能直接檢測，只能間接獲取。由電機(jī)三相端電壓平衡方程可以推導(dǎo)出在反電動勢過零點(diǎn)附近有：其中，ua、ub、uc為a、b、c相的端電壓。通過檢測相電壓，再根據(jù)式(1)、(2)、(3)很容易得到反電動勢過零點(diǎn)，再延時30°電角度換相，就可以使勵磁與轉(zhuǎn)子同步。5 系統(tǒng)硬件設(shè)計采用microchip公司的dspic30f3010微控制器實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制。dspic30f3010具有6路10位a／d、專門針對電機(jī)設(shè)計的6路pwm模塊、5路16位定時器、24 kb flash程序存儲器以及1 kbram。其硬件電路圖如圖5所示。用an2、an3、an4實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓檢測，得到反電動勢過零點(diǎn)。采用pwm模塊控制6個mos-fet通斷，就可實(shí)現(xiàn)換相。采用不同的占空比就可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)調(diào)速。通過對阻值為0.1ω的電阻端電壓的檢測獲取過流、過載信息，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際情況調(diào)整放大倍數(shù)和比較器的參考電壓。因電機(jī)反電動勢通常比5 v高，故必須通過電阻分壓后才能進(jìn)行a／d轉(zhuǎn)換，分壓電阻根據(jù)電機(jī)母線電壓不同取不同值，只要能保證分壓后的電壓在微控制器的允許范圍內(nèi)即可。3相逆變橋由6個mosfet構(gòu)成，本系統(tǒng)設(shè)計采用ir2407，它可承受600 v電壓，電流達(dá)49 a。pwm驅(qū)動器由3片ir2110構(gòu)成。由于dspic30f3010為28引腳器件，i／o口有限，不能設(shè)計人機(jī)接口，因此，需采用rs-232接口與pc機(jī)連接，通過超級